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线程池

并发
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2019/09/28 Share

本章是对《Java并发编程的艺术》一书中的Java中的线程池一章的读书笔记。

线程池的实现原理

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从上图中可以看出，当提交一个新任务到线程池时，线程池的处理流程如下:

  1. 线程池判断核心线程里的线程是否都在执行任务。如果不是，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果核心线程池里的线程都在执行任务，则进入下个流程。
  2. 线程池判断工作队列是否已经满。如果工作队列没有满，则将新提交的任务存储在这个工作队列里。如果工作队列满了，则进入下个流程。
  3. 线程池判断线程池的线程是否都处于工作状态。如果没有，则创建一个新的工作线程来执行任务。如果已经满了，则交给饱和策略来处理这个任务。

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上图是ThreadPoolExecutor执行execute()方法的示意图。

ThreadPoolExecutor执行execute()方法分下面4中情况。

  1. 如果当前运行的线程小于corePoolSize，则创建新线程来执行任务(注意，执行这一步骤需要获取全局锁)。
  2. 如果运行的线程等于或多于corePoolSize，则将任务加入BlockingQueue。
  3. 如果无法将任务加入BlockingQueue(队列已满)，则创建新的线程来处理任务(注意，执行这一步骤需要获取全局锁)。
  4. 如果创建新线程使当前运行的线程数超出maximumPoolSize，任务将被拒绝，并调用RejectedExecutionHandler.rejectdExecution()方法。

ThreadPoolExecutor采取上述步骤的总体设计思路，是为了在执行execute()方法时，尽可能地避免获取全局锁(那将会是一个严重的可伸缩瓶颈)。在ThreadPoolExecutor完成预热之后(当前运行的线程数大于等于corePoolSize)，几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2，而步骤2不需要获取全局锁。

源码分析: 上面的流程分析让我们很至关地了解了线程池的工作原理，让我们再通过源代码来看看是如何实现的，线程池执行任务的方法如下。

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public void execute(Runnable command) {
     if (command == null)
         throw new NullPointerException();
     int c = ctl.get();
  		//如果线程数小于基本线程数，则创建线程并执行当前任务
     if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
         if (addWorker(command, true))
             return;
         c = ctl.get();
     }
  		//如果线程数大于等于基本线程数或线程创建失败，则将当前任务放到工作队列中
     if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
         int recheck = ctl.get();
         if (! isRunning(recheck) && remove(command))
             reject(command);
         else if (workerCountOf(recheck) == 0)
             addWorker(null, false);
     }
  		//如果线程池不处于运行中或任务无法放入队列，并且当前线程数量小于最大允许的线程数量，
  		//则创建一个线程来执行任务
     else if (!addWorker(command, false))
       	//抛出RejectedExecutionException异常
         reject(command);
 }

工作线程: 线程池创建线程时，会将线程封装成工作线程Worker，Worker在执行完任务后，还会循环获取工作队列里的任务来执行。

线程池中的线程执行任务分两种情况，如下。

  1. 在execute()方法中创建一个线程时，会让这个线程执行当前任务。
  2. 这个线程执行完任务后，会反复从BlockingQueue获取任务来执行。

线程池的使用

线程池的创建

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new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue,
             Executors.defaultThreadFactory(), handler)

创建一个线程池需要输入几个参数，如下。

  1. corePoolSize (线程池的基本大小) : 当提交一个任务到线程池时，线程池会创建一个线程来执行任务，即使其他空闲的基本线程能够执行新任务也会创建线程，等到需要执行的任务数大于线程池基本大小时就不再创建。如果调用了线程池的prestartAllCoreThreads()方法，线程池会提前创建并启动所有基本线程。

  2. workQueue (任务队列) : 用于保存等待执行的任务的阻塞队列。可以选择一下几个阻塞队列。

    • ArrayBlockingQueue: 是一个基于数据结构的有界阻塞队列，此队列按FIFO (先进先出) 原则对元素进行排序。
    • LinkedBlockingQueue: 一个基于链表结构的有界阻塞队列，次队列按FIFO排序元素，吞吐量通常要高于ArrayBlcokingQueue。静态工厂方法Executors.newFixedThreadPool()使用了这个队列。
    • SynchronousQueue: 一个不存储元素的阻塞队列。每个插入操作必须等到另一个线程调用移除操作，否则插入操作一直处于阻塞状态，吞吐量通常要高于LinkedBlockingQueue，静态工厂方法Executors.newCacheThreadPool()使用了这个队列。
    • PriorityBlockingQueue: 一个具有优先级的无限阻塞队列。

  3. maximumPoolSize (线程最大数量) : 线程池允许创建的最大线程数。如果队列满了，并且已创建的线程数小于最大线程数，则线程池会再创建新的线程执行任务。值得注意的是，如果使用了无界的任务队列这个参数就没什么效果。

  4. ThreadFactory : 用于设置创建线程的工厂，可以通过线程工厂给每个创建出来的线程设置有意义的名字。使用开源框架guava提供的ThreadFactoryBuild可以快速给线程池里的线程设置有意义的名字，代码如下。

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    new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("XX-task-d%").build();

  5. RejectedExecutionHandler (饱和策略) : 当队列和线程池都满了，说明线程池处于饱和状态，那么必须采取一种策略处理提交的新任务。这个策略默认情况下是AbortPolicy，表示无法处理新任务时抛出异常。在JDK 1.5中Java线程池框架提供了一下4种策略。

    • AbortPolicy: 直接抛出异常。

    • CallerRunsPolicy: 只用调用者所造线程来运行任务。

    • DiscardOldestPolicy: 丢弃队列里最新的一个任务，并执行当前任务。

    • DiscardPolicy: 不处理，丢弃掉。

  6. keepAliveTime (线程活动保持时间) : 线程池的工作线程空闲后，保持存活的时间。所以，如果任务很多，并且每个任务执行的时间比较短，可以调大时间，提高线程的利用率。

  7. TimeUnit (线程活动保持时间的单位) : 可选的单位有天 (DAYS)、小时 (HOURS)、分钟 (MINUTES)、毫秒 (MILLISECONDS)、微秒 (MICROSECONDS，千分之一毫秒)和纳秒 (NANOSECONDS，千分之一微秒)。

向线程池提交任务

可以使用两个方法向线程池提交任务，分别为execute()和submit()方法。

execute()方法用于提交不需要返回值的任务，所以无法判断任务十分被线程池执行成功。通过以下代码可知execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例。

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threadPool.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {

    }
});

submit()方法用于提交需要返回值的任务。线程池会返回一个Future类型的对象，通过这个Future对象可以判断任务十分执行成功，并且可以通过Future的get()方法来获取返回值，get()方法会阻塞当前线程直到任务完成，而使用get(long timeout, TimeUnit unit)方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回，这时候有可能任务没执行完。

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Future<?> future = threadPool.submit(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {

    }
});
try {
    Object result = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

关闭线程池

可以用过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池。它们的原理是遍历线程池中的工作线程，然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程，所以无法响应中断的任务可能永远无法终止。但是它们存在一定的区别，shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP，然后尝试停止所有正在执行或暂停任务的线程，并返回等待执行任务的列表，而shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态，然后中断所有没有正在执行任务的线程。

只要调用了这两个关闭方法中的任意一个，isShutdown方法就会返回true。当所有的任务都已关闭后，才表示线程池关闭成功，这是调用isTermined方法会返回true。至于应该调用哪一种方法来关闭线程池，应该由提交到线程池的任务特性决定，通常调用shutdown方法来关闭线程池，如果任务不一定要执行完，则可以调用shutdownNow方法。

合理地配置线程池

要想合理地配置线程池，就必须首先分析任务特性，可以从以下几个角度来分析。

  • 任务的性质: CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务。
  • 任务的优先级: 高、中和低。
  • 任务的执行时间: 长、中和短。
  • 任务的依赖性: 是否依赖其他系统资源，如数据库连接。

性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理。CPU密集型任务应配置尽可能小的线程，如配置N + 1（N 代表CPU个数）个线程的线程池。由于IO密集型任务线程并不是一直在执行任务，则应配置尽可能多的线程，如2 * N。混合型的任务，如果可以拆分，将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务，只要这两个任务执行的时间相差不是太大，那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量。如果这两个任务执行时间相差太大，则没必要进行分解。可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数。

优先级不同的任务可以使用优先级队列PriorityBlockingQueue来处理。它可以让优先级高的任务先执行。

如果一直有优先级高的任务提交到队列里，那么优先级低的任务可能永远不会执行。

执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池处理，或者可以使用优先级队列，让执行时间短的任务先执行。

依赖数据库连接池的任务，因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果，等待的时间越长，则CPU空闲时间就越长，那么线程数应该设置得越大，这样才能更好地利用CPU。

建议使用有界队列。有界队列能增加系统的稳定性和预警能力，可以根据需要设大一点儿，比如几千。

线程池的监控

如果在系统中大量使用线程池，则有必要对线程池进行监控，方便在出现问题时，可以根据线程池的使用状况快速定位问题。可以通过线程池提供的参数进行监控，在监控线程池的时候可以使用一下几个属性。

  • taskCount: 线程池需要执行的任务数量。
  • completedTaskCount: 线程在运行过程中已完成的任务数量，小于或等于taskCount。
  • largestPoolSize: 线程池里曾经创建过的最大线程数量。通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过。如该数值等于线程池的最大大小，则表示线程池曾经满过。
  • getPoolSize: 线程池的线程数量。如果线程池不销毁的话，线程池里的线程池不会自动销毁，所以这个大小只增不减。
  • getActiveCount: 获取活动的线程数。

通过扩展线程池进行监控。可以通过继承线程池来自定义线程池，重写线程池的beforeExecute()、afterExecute()和terminated方法，也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码进行监控。例如，监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等。这几个方法在线程池里都是空方法。

原文作者：leisurexi

原文链接：https://github.com/leisurexi/category/2019/09/28/并发/线程池.html

发表日期：September 28th 2019, 6:10:00 pm

更新日期：January 18th 2020, 4:35:40 pm

版权声明：本文采用知识共享署名-非商业性使用 4.0 国际许可协议进行许可

CATALOG
  1. 1. 线程池的实现原理
  2. 2. 线程池的使用
    1. 2.1. 线程池的创建
    2. 2.2. 向线程池提交任务
    3. 2.3. 关闭线程池
    4. 2.4. 合理地配置线程池
    5. 2.5. 线程池的监控
Total : 26
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CentOS-7 JVM 设计模式 CentOS-7/Zookeeper MySQL RabbitMQ 并发 CentOS-7/Zookeeper/Kafka CentOS-7/MySQL Spring-IoC CentOS-7/MySQL/Nacos 集合 ELK Redis